▲ 강정구 한국과학기술원 교수.

환경문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 식물의 엽록소를 이용한 고효율 바이오 태양전지가 개발됐다.

미래창조과학부는 최근 하이브리드인터페이스기반미래소재연구단(단장 김광호)과 강정구 교수팀(한국과학기술원)이 공동협력연구를 통해 은 나노입자와 엽록소를 결합해 기존보다 약 200% 향상된 성능을 보이는 ‘고효율 바이오-태양전지’를 개발했다고 26일 밝혔다.

이번 연구는 지구상에 무한히 존재하는 식물의 엽록소를 이용해 저렴한 가격으로 친환경적인 전력 생산이 가능한 태양전지를 상용화 할 수 있는 기술적 토대를 마련한 것으로 평가받고 있다.

현재 무한한 청청에너지원으로써 태양전지가 산업전반에 널리 보급되고 있는 추세이며, 그 중 실리콘 태양전지가 가장 보편적으로 사용되고 있다.

반면에 실리콘계 태양전지는 초기 투자비용이 아주 높아 상용화의 큰 진입장벽이 있다. 이로 인해 실리콘을 사용하지 않는 태양전지를 개발하려는 시도가 계속 돼 왔다.

엽록소는 식물이나 녹조류 등에서 대량추출이 용이하며, 가시광선 영역의 흡수특성이 좋아서 지표면에 입사되는 태양에너지를 효율적으로 활용할 수 있고, 이와 같은 특성으로 엽록소를 태양전지의 광흡수체로 사용할 경우, 태양전지의 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 해결책이 될 수 있는 것으로 알려져 왔다.

반면에 기존의 무기물질로 구성된 태양전지 구성물과 자연생물체인 엽록소를 효과적으로 결합하는 방법이 제시되지 못해 바이오-태양전지 개발에 어려움을 겪어 왔다.

연구팀은 10나노미터(nm) 크기의 미세한 은 입자를 식물에서 추출한 엽록소와 결합해 기존보다 약 200% 향상된 고효율의 바이오-태양전지 제작에 성공했다.

은 나노입자는 엽록소에서 빠져나가는 파장대의 빛을 흡수해 재사용할 뿐만 아니라, 엽록소를 전극기판 위에 배열할 때 출력저하도 감소시켜 태양전지의 효율을 증가시키는데 핵심적인 역할을 했다.

연구진은 “이번 연구는 향후 카로티노이드, 알칸닌, 베타레인 등의 자연계에 풍부하게 분포되어 있는 다양한 광흡수체를 태양전지의 부품으로서 효과적으로 사용할 수 있는 해결책을 제시했다”며 “환경문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 원천기술 개발과 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

▲ 플라즈몬 효과를 위한 은 나노입자와 식물의 광흡수체인 엽록소의 인터페이스 구조의 구현을 통한 고효율 태양전지의 모식도.